Научный коллектив МФТИ и Института радиотехники и электроники им. В.А. Котельникова РАН предложил уникальную архитектуру сверхпроводникового квантового симулятора на основе поляризационных трансмонов. Разработка предназначена для изучения топологических и многочастичных квантовых явлений и состояний. Результаты опубликованы в журнале Advanced Quantum Technologies.
В последние годы квантовые симуляторы топологических моделей активно исследуются на различных платформах. Такие устройства позволяют воспроизводить сложные физические системы в управляемых условиях и изучать явления, которые трудно наблюдать в природных материалах или рассчитывать на обычных компьютерах.
Новое перспективное направление связано с использованием метаатомов — искусственно созданных элементов, свойства которых определяются их внутренним устройством. Метаатомы — это искусственно созданные микроскопические элементы, которые взаимодействуют с электромагнитным полем подобно обычным атомам. Их свойства определяются конструкцией, поэтому ученые могут заранее задавать их поведение.
«Топологическими называют состояния, свойства которых определяются не только отдельными элементами, но и общей структурой системы. Одно из таких свойств — существование краевых состояний: возбуждение может быть сосредоточено у границы системы. Однако в отличие от обычных таммовских состяний, топологические краевые состояния выдерживают даже существенные нарушения в структуре материала. Исследовать такие эффекты в природных материалах сложно: их трудно синтезировать, трудно “подсоединяться” к отдельным атомам, чтобы измерить их заселенность. Джозефсоновские искусственные системы же позволят произвольно задавать, варьировать in-situ взаимодействия между элементами, воспроизводить разнообразные физические режимы, используя всего один образец. В долгосрочной перспективе масштабирование таких квантовых симуляторов на основе сверхпроводящих цепей позволит предсказывать свойства сложных материалов, а также находить ответ на фундаментальные вопросы современной физики: например, как квантовое поведение на микроуровне переходит к классическому в повседневной жизни», — рассказал Глеб Фёдоров, ведущий научный сотрудник лаборатории искусственных квантовых систем Института квантовых технологий МФТИ.
В качестве элементов нового симулятора ученые МФТИ с коллегами впервые предложили использовать поляризационные трансмоны. Это искусственные атомы, образованные четырьмя сверхпроводниковыми островками, соединенными джозефсоновскими переходами. Такой элемент поддерживает две вырожденные ортогональные дипольные моды. Это два независимых способа колебания зарядов в поляризационном трансмоне, направленные перпендикулярно друг другу. В классическом представлении их можно рассматривать как два направления поляризации электромагнитного поля.
Поляризационные трансмоны ученые предложили расположить в виде зигзагообразной цепочки. В такой геометрии сила взаимодействия между соседними элементами чередуется в зависимости от их взаимной ориентации. Авторы также учли дальнодействующее взаимодействие между элементами, следующими за ближайшими соседями. Оно связывает два поляризационных подпространства, которые без него вели бы себя как независимые цепочки, и снимает вырождение энергетического спектра.
Исследователи аналитически и численно определили топологические фазы системы и условия переходов между ними. Для этого использовались топологические инварианты и обратный коэффициент участия — величину, позволяющую определить, насколько сильно состояние локализовано в отдельных участках цепочки.
«В этой работе мы показали, что поляризационные трансмоны могут служить элементарными ячейками сверхпроводникового симулятора зигзагообразной топологической модели. Существенную роль играют дальнодействующие связи: они соединяют две поляризации и заметно меняют спектр и фазовую диаграмму системы. Предложенная архитектура создает основу для будущего экспериментального исследования ранее недоступных квантовых многочастичных явлений», — поясняет Екатерина Коноплёва, один из авторов, научный сотрудник лаборатории искусственных квантовых систем Института квантовых технологий МФТИ.
Разработчики показали, что известная из физики твердого тела Zig-Zag модель с высокой точностью соответствует цепочке правильным образом расположенных поляризационных трансмонов. Это подтверждается хорошим согласованием волновых функций из формализма вторичного квантования и собственных мод, полученных с помощью метода конечных элементов.
Реализуемость предложенной архитектуры авторы предварительно проверили с помощью трехмерного электромагнитного моделирования в классическом линейном режиме. Это компьютерный расчет электрических и магнитных полей внутри устройства с учетом его реальной трехмерной формы. При этом сложные квантовые эффекты не учитываются, а элементы считаются работающими в обычном линейном режиме.
В этой модели джозефсоновские переходы заменяли линейными индуктивностями, а рассчитанные собственные моды девятиэлементной цепочки сравнивали с волновыми функциями модели вторичного квантования.
Джозефсоновский переход — это тонкий изолирующий слой между двумя сверхпроводниками, через который электрический ток может проходить благодаря квантовому эффекту. Это один из основных элементов сверхпроводниковых кубитов.
Полученные результаты хорошо согласовывались друг с другом. Электромагнитное моделирование качественно воспроизвело расширенную «зигзагообразную» модель, включая как объемные, так и локализованные краевые моды.
Работа формирует теоретическую и инженерную основу для будущего эксперимента и открывает путь к исследованию топологических квантовых систем с несколькими орбиталями, многочастичных явлений и топологических материалов.
Исследование проведено при поддержке гранта Российского научного фонда № 25-22-00280.
